无线传感器的网络技术应用分析

无线传感器的网络技术应用分析吕晓峰宝鸡文理学院电子电气工程系，宝鸡721007摘要：无线传感器网络是近年来发展迅速的无线网络，与传统的无线网络相比具有更高的技术优势。本文介绍了无线传感器网络的主要特征和优势，通过与传统无线网络的技术比较分析了无线传感器的网络技术应用热点。关键词：无线传感器网络技术无线传感器的网络应用集成了信息采集、数据传输、数据处理、数据管理等多种主体功能，涉及各种传感器技术、信息处理技术和数据管理技术等多个技术领域，并且由于网络所具有的自组织、协作、分布式控制等特点，使得上述每种技术的实现都与传统的技术实现方式有很大区别，具有鲜明的技术特色。一、无线传感器网络的主要特征（一）低功耗、微型化、高度集成、低价格的传感器节点相对传统意义的传感器网络节点（如雷达）而言，当前所指的无线传感器网络节点更强调节点的低功耗、微型化、高度集成、低价格等特征。虽然当前一些基于商用器件制造的无线传感器网络节点（如MICA、DOT等）在许多指标方面离预期目标仍有一定差距，但这些指标却代表了无线传感器网络今后的发展方向。微机电系统（MEMS）技术的发展，为开发低功耗、小体积、低价格、同时集成有微传感器/执行器、微处理器和无线通信等多种功能部件的无线传感器网络节点提供了重要技术条件，使得开发类似“灰尘”的无线传感器网络节点成为可能。（二）节点密集布设在监测区域内密集布设大量相同或不同类型的传感器节点，是无线传感器网络的一个重要特征。通过节点密集布设，可以获取密集的空间抽样信息或针对同一现象的多维信息，对这些信息进行分布式处理之后，可以有效地提高检测或识别目标的准确度，并降低对单一传感器节点的精度要求；通过节点密集布设，可以在同一区域内存在大量冗余节点，节点的冗余性使系统具有很强的容错性能，由此降低对单一传感器节点的可靠性要求。另外，通过节点密集布设并对其节点进行合理的休眠调度，也是延长网络寿命的重要途径。（三）协作式网络协作是无线传感器网络执行任务的基本工作方式，一般包括协作式信息采集、协作式信息处理、协作式信息存储、协作式信息传输等。通过协作，多个相同或不同类型的传感器节点可以从不同的空间位置或不同的现象角度（如物理现象、化学现象等）共同对感知对象进行感知，获得更为精确、完整的信息；通过协作，传感器节点可以克服自身处理和存储能力受限的不利因素，在多个节点的共同协作下完成对复杂任务的执行功能；通过协作，传感器节点之间既可以通过多跳中继转发实现远距离通信，也可以通过多节点协作发射、多节点协作接收等机制，实现延伸通信距离、改善通信质量、降低网络能耗等目的。（四）自组织网络无线传感器网络的诸多特点决定了其采用自组织工作方式的必要性。首先，传感器节点经常采用随机性布设的方式，节点的位置和相互邻居关系不能预先确定，如通过飞机播撒或由人随意放置的无线传感器网络；其次，传感器节点可能由于能量耗尽或受到环境因素影响而失效，一些节点又可能为了弥补失效节点或增加监测精度而补充进来，再加上节点可能移动以及采用休眠调度机制，网络拓扑往往处于动态变化之中。无线传感器网络的自组织主要包括自组织通信、网络功能的自调度以及网络的自管理等。（五）无线网络传感器节点采用无线方式进行组网，实现传感器节点之间、传感器节点与网关设备之间的通信。无线通信方式的采用大大提高了网络布设及应用的灵活性，通信线缆的节省有助于降低整个无线传感器网络的造价。二、无线传感器网络的主要优势无线传感器网络采用微小型的传感器节点获取信息，节点之间具有自动组网和协同工作能力，网络内部采用无线通信方式，它与传统的传感器手段（如单一大型传感器、有线传感器网等）相比，具有以下几个比较明显的优势：精度高：大量造价低廉的微小型传感器节点对监测区域进行密集空间抽样，或者对监测目标进行近距离密集监测，可以获取非常高的信息感知精度，这是传统单一大型传感器所难以达到的。灵活性强：临时随机性布设、网络自组织等特点使无线传感器网络在布设之后很快就能展开工作，不需人为干预，非常适合一些急、险、偏的应用场合，在布设、使用上的灵活性要远远强于传统的传感器手段。可靠性高：由于无线传感器网络具有自组织特点，当某一节点发生故障或失效时，其功能可迅速由其他节点替代承担。因此，虽然单一传感器节点的可靠性比较低，但作为一个系统整体，无线传感器网络可以获取非常高的可靠性。经济性好：无线传感器网络利用无线传输取代传统的线缆传输，大大降低了系统的建设成本；另外，随着技术的发展与无线传感器网络的广泛采用，单一传感器节点的造价会越来越低。因此，与传统传感器手段相比，无线传感器网络在造价上的优势将越来越明显。三、与无线自组织通信网络的比较在通信方式上，无线传感器网络与无线自组织通信网络最为接近，都可以在不依托任何网络基础设施的情况下展开工作，都可以依靠节点之间的自组织行为协调以及在网络拓扑动态变化的情况下实现多跳路由转发等功能。无线传感器网络与无线自组织通信网络在通信方式上具有很大的相似性，但当前无线自组织通信网络的许多协议及算法并不能高效地直接应用于无线传感器网络。主要体现为以下几个方面：（一）网络功能的不同无线传感器网络是一种以获取感知信息为主要目的的信息采集网络，而无线自组织通信网络是一种以解决人与人之间，或设备与设备之间信息传输为主要目的的通信网络，这是二者的一个根本区别。在无线传感器网络中，通信只是作为一种保障手段，实现传感器节点之间、传感器节点与管理控制节点之间、传感器节点与用户节点之间的信息传输。每个传感器节点除了集成有通信功能外，还集成有信息采集、信息处理等功能；而在自组织通信网络中，通信是它的核心功能，每个节点只是一个单纯意义上的通信节点。（二）节点能力的不同无线传感器网络节点需要执行的功能相对简单，并且要求小型化、低成本、低功耗，所配置的处理器能力一般都比较弱、存储容量比较小、通信速率及通信距离也非常有限，并且由于造价、体积以及工作环境的特殊性，传感器节点的可靠性相对较差；而自组织通信网络的节点在处理与存储能力、通信能力、可靠性等方面相对传感器节点都比较强大。（三）网络形态的不同无线传感器网络的规模较大，节点数常是无线自组织通信网络的数十倍至数千倍。无线传感器网络的节点密度高，远远高于无线自组织通信网络的节点密度。另外，动态拓扑是二者的共同特征，但造成动态拓扑的原因却存在一定的区别。在无线传感器网络中，造成网络拓扑变化的原因主要是传感器节点的休眠／激活、失效／补充以及可能存在的节点移动性等；而在无线自组织通信网络中，造成网络拓扑变化的原因主要是节点移动性。（四）业务特征的不同无线传感器网络中的通信业务主要发生在传感器节点和用户之间，普通传感器节点之间一般并不存在过多通信要求，网络中的通信业务具有很强的方向性，并且主要以“一到多（one-to-many）”、“多到一（many-to-one）”的形式而存在；而在自组织通信网络中，由于任意两点之间都有可能发生通信，网络中的通信业务主要以任意点到点（any-to-any）的形式而存在。另外，由于无线传感器网络中只有当用户发起查询或命令，传感器节点检测到异常事件，或者报告周期到达时，网络中才会产生通信业务，节点平时只处于监测状态，因此网络中的业务量相对较低，而无线自组织通信网络通常需要传输话音、数据、视频等业务，其业务量相对传感器网络而言是比较高的。（五）关注问题侧重点的不同无线传感器网络节点通常采用电池供电，且难以补充能量，能量有效性是无线传感器网络设计的主要目标之一；另外，适应传感器节点功能简单的特点，无线传感器网络的协议及算法设计都非常强调简单、高效。而无线自组织通信网络仍是一个通信网络，所关注问题的侧重点仍主要在于网络容量、业务的QoS保证、业务传输的有效性及可靠性等方面。四、结束语无线传感器网络是目前信息技术领域中重要的前沿技术，由于精度、灵活性、可靠性、经济性的优良特性以及与传统无线网络相比的众多优势，其应用和发展具有广阔的市场前景。通过不断深入的研究无线传感器的网络应用技术，能够在更成熟的技术优势下，建立更成功更标准的应用模式。参考文献：[1]周婵，李昕.工业无线传感器网络性能综合评价研究[J].计算机工程,2010，36（16）：82-84.[2]杨卓静，孙宏志，任晨虹.无线传感器网络应用技术综述[J].中国科技信息，2010（13）:127-129.[3]曹明毅.无线传感器网络发展及应用[J].计算机光盘软件与应用，2010（6）:113-113.[4]杨惠.无线传感器网络技术的应用[J].硅谷，2010（8）:26-26.作者简介：吕晓峰（1983—），籍贯陕西省乾县，工作单位宝鸡文理学院电子电气工程系助教，研究方向电子信息工程、控制工程。联系方式：宝鸡文理学院电子电气工程系邮编：721007电话：[phone]E-mail：[e-mail]